真空極化

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量子場論裡,尤其是量子電動力學真空極化是一個在背景電磁場中產生電子-正子虛粒子對的過程。 產生的虛粒子對會改變原本電荷和電流的分佈。 有時這被視作規範玻色子(光子)的自身能量(self energy)。 1997年,日本TRISTAN粒子加速器觀測到真空極化的現象。 [1]

理論解釋[编辑]

根據量子場論,一個包含作用粒子的基態(或真空態)不單純只是個空無一物的空間, 它包含了存活時間很短虛正反粒子對,從真空中產生並彼此湮滅。

部分正反粒子對帶有電荷,例如正負電子對。 這類的粒子對會形成電偶極矩。在電磁場的作用下粒子對會產生位移,並且反過來影響電磁場。 (部分的遮蔽效應或介電質效應) 因此場的作用會比原先預期的來得小。 而這個虛粒子對轉向的過程就是真空極化

正反費米子對的一圈圖對於真空極化的貢獻表示成下圖:

Vacuum polarization.svg

真空極化張量[编辑]

真空極化在數學上量化成真空極化張量 \Pi_{\mu \nu}(p) 來描述介電質效應,其中 \Pi_{\mu \nu}(p) 是光子四動量 p 的函數。 因此,真空極化與傳遞的動量有關。 換句話說,電容率的大小與尺度是相關的。 以電磁作用而言,我們可將精細結構常數表示成一個動量相關的有效值。 在第一階修正,我們得到:

 \alpha_\text{eff}(p^2) = \frac{\alpha}{1 - [\Pi_2(p^2) - \Pi_2(0)]}

式子中 \Pi_{\mu \nu}(p) = (p^2 g_{\mu \nu} - p_\mu \nu) \Pi(p^2) , 下標2表示一階-e^2修正。 由於沃德等式(Ward identity),張量 \Pi_{\mu \nu}(p) 的組成被固定。

參閱[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Levine, I.; TOPAZ Collaboration. Measurement of the Electromagnetic Coupling at Large Momentum Transfer. Physical Review Letters. 1997, 78: 424–427. Bibcode:1997PhRvL..78..424L. doi:10.1103/PhysRevLett.78.424. 

延伸閱讀[编辑]

  • For a derivation of the vacuum polarization in QED, see section 7.5 of M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley, 1995.